Atmega16

ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，並且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數據吞吐率。

ATmega16 有如下特點:16K位元組的系統內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 位元組EEPROM，1K 位元組SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用於邊界掃描的JTAG 介面，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數器(T/C),片內/外中斷，可編程串列USART，有起始條件檢測器的通用串列介面，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串列埠，以及六個可以通過軟體進行選擇的省電模式。

工作於空閑模式時CPU 停止工作，而USART、兩線介面、A/D 轉換器、SRAM、T/C、SPI 埠以及中斷系統繼續工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬體複位之外都停止工作；在省電模式下，非同步定時器繼續運行，允許用戶保持一個時間基準，而其餘功能模塊處於休眠狀態； ADC 雜訊抑制模式時終止CPU 和除了非同步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉換時的開關雜訊； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其餘功能模塊處於休眠狀態，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby 模式下則允許振蕩器和非同步定時器繼續工作。

本晶元是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術生產的。片內ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串列介面，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行於AVR 內核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意介面將應用程序下載到應用Flash存儲區(ApplicationFlash Memory)。在更新應用Flash存儲區時引導Flash區(Boot Flash Memory)的程序繼續運行，實現了RWW 操作。通過將8 位RISC CPU 與系統內可編程的Flash 集成在一個晶元內， ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。

ATmega16 具有一整套的編程與系統開發工具，包括：C 語言 編譯器、宏彙編、程序調試器/ 軟體模擬器、模擬器及評估板。

u 高性能、低功耗的8位AVR微處理器

l 先進的RISC 結構

l 131條指令

l 大多數指令執行時間為單個時鐘周期

l 32個8位通用工作寄存器

l 全靜態工作

l 工作於16MHz時性能高達16MIPS

l 只需兩個時鐘周期的硬體乘法器

l 非易失性程序和數據存儲器

l 16K 位元組的系統內可編程Flash，擦寫壽命: 10,000次

l 具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區，通過片上Boot程序實現系統內編程，真正的同時讀寫操作

l 512 位元組的EEPROM，擦寫壽命: 100,000次

l 1K位元組的片內SRAM

l 可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序的加密

l JTAG 介面( 與IEEE 1149.1 標準兼容)

l 符合JTAG 標準的邊界掃描功能

l 支持擴展的片內調試功能

l 通過JTAG 介面實現對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程

u 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數器

l 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器

l 具有獨立振蕩器的實時計數器RTC

l 四通道PWM

l 8路10位ADC，8個單端通道，2個具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道

l 面向位元組的兩線介面

l 兩個可編程的串列USART

l 可工作於主機/ 從機模式的SPI 串列介面

l 具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器

l 片內模擬比較器

u 特殊的處理器特點

l 上電複位以及可編程的掉電檢測

l 片內經過標定的RC振蕩器

l 片內/片外中斷源

l 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 雜訊抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby模式 u I/O和封裝

l 32個可編程的I/O口

l 40引腳PDIP封裝, 44引腳TQFP封裝, 與44引腳MLF封裝

u 工作電壓

l ATmega16L：2.7 - 5.5V

l ATmega16：4.5 - 5.5V

u 速度等級

l 8MHz ATmega16L

l 0-16MHz ATmega16

u ATmega16L在1MHz, 3V, 25°C時的功耗

l 正常模式: 1.1 mA

l 空閑模式: 0.35 mA

l 掉電模式: < 1 μA

引腳名稱引腳功能說明

VCC 電源正

GND 電源地

埠A(PA7..PA0)

埠A 做為A/D 轉換器的模擬輸入端。埠A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩衝器具 有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，埠被外部電路拉低時將輸出電流。在複位過程中，即使系統時鐘還未起振，埠A 處於高阻狀態。

埠B(PB7..PB0)

埠B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩衝器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，埠被外部電路拉低時將輸出電流。在複位過程中，即使系統時鐘還未起振，埠B 處於高阻狀態。

埠B 也可以用做其他不同的特殊功能.

埠C(PC7..PC0)

埠C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩衝器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，埠被外部電路拉低時將輸出電流。在複位過程中，即使系統時鐘還未起振，埠C 處於高阻狀態。如果JTAG介面使能，即使複位出現引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。埠C 也可以用做其他不同的特殊功能.

埠D(PD7..PD0)

埠D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩衝器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則埠被外部電路拉低時將輸出電流。在複位過程中，即使系統時鐘還未起振，埠D 處於高阻狀態。埠D 也可以用做其他不同的特殊功能.

RESET 複位輸入引腳。持續時間超過最小門限時間的低電平將引起系統複位。門限時間見P36Table 15。持續時間小於門限間的脈衝不能保證可靠複位。

XTAL1

反向振蕩放大器與片內時鐘操作電路的輸入端。

XTAL2

反向振蕩放大器的輸出端。

AVCC

AVCC是埠A與A/D轉換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與VCC 連接。

AREF

A/D 的模擬基準輸入引腳。

ATmega16 內核介紹

右邊為AVR 結構的方框圖

為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 採用了Harvard 結構，具有獨立的數據和程序匯流排。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。CPU 在執行一條指令的同時讀取下一條指令( 在本文稱為預取)。這個概念實現了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH。

快速訪問寄存器文件包括32 個8 位通用工作寄存器，訪問時間為一個時鐘周期。從而實現了單時鐘周期的ALU 操作。在典型的ALU 操作中，兩個位於寄存器文件中的操作數同時被訪問，然後執行運算，結果再被送回到寄存器文件。整個過程僅需一個時鐘周期。

寄存器文件里有6 個寄存器可以用作3 個16 位的間接定址寄存器指針以定址數據空間，實現高效的地址運算。其中一個指針還可以作為程序存儲器查詢表的地址指針。這些附加的功能寄存器即為16 位的X、Y、Z 寄存器。

ALU支持寄存器之間以及寄存器和常數之間的算術和邏輯運算。ALU也可以執行單寄存器操作。運算完成之後狀態寄存器的內容得到更新以反映操作結果。

程序流程通過有/ 無條件的跳轉指令和調用指令來控制，從而直接定址整個地址空間。大多數指令長度為16 位，亦即每個程序存儲器地址都包含一條16 位或32 位的指令。

程序存儲器空間分為兩個區：引導程序區(Boot 區) 和應用程序區。這兩個區都有專門的鎖定位以實現讀和讀/ 防寫。用於寫應用程序區的SPM 指令必須位於引導程序區。

在中斷和調用子程序時返回地址的程序計數器(PC) 保存於堆棧之中。堆棧位於通用數據SRAM，因此其深度僅受限於SRAM 的大小。在複位常式里用戶首先要初始化堆棧指針SP。這個指針位於I/O 空間，可以進行讀寫訪問。數據SRAM 可以通過5 種不同的定址模式進行訪問。

AVR 存儲器空間為線性的平面結構。

AVR有一個靈活的中斷模塊。控制寄存器位於I/O空間。狀態寄存器里有全局中斷使能位。每個中斷在中斷向量表裡都有獨立的中斷向量。各個中斷的優先順序與其在中斷向量表的位置有關，中斷向量地址越低，優先順序越高。 I/O 存儲器空間包含64 個可以直接定址的地址，作為CPU 外設的控制寄存器、SPI，以及其他I/O 功能。映射到數據空間即為寄存器文件之後的地址0x20 - 0x5F。

AVR單片機的型號標識解析

1. 型號緊跟的字母，表示電壓工作範圍。帶“L”：2.7-5.5V；若預設，不帶“L”：4.5-5.5V。

例：ATmega48-20AU，不帶“L”表示工作電壓為4.5-5.5V。

2. 後綴的數字部分，表示支持的最高系統時鐘。例：ATmega48-20AU，“20”表示可支持最高為20MHZ的系統時鐘。

3. 後綴第一（第二）個字母，表示封裝。“P”：DIP封裝，“A”：TQFP封裝，“M”：MLF封裝。例：ATmega48-20AU，“A”表示TQFP封裝。

4. 後綴最後一個字母，表示應用級別。“C”：商業級，“I”：工業級（有鉛）、“U”工業級（無鉛）。例：ATmega48-20AU，“U”表示無鉛工業級。ATmega48-20AI，“I”表示有鉛工業級。 AVR 8-Bit MCU的最大特點

與其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特點是：

· 哈佛結構，具備1MIPS / MHz的高速運行處理能力；

· 超功能精簡指令集（RISC），具有32個通用工作寄存器，克服了如8051 MCU採用單一ACC進行處理造成的瓶頸現象；

· 快速的存取寄存器組、單周期指令系統，大大優化了目標代碼的大小、執行效率，部分型號FLASH非常大，特別適用於使用高級語言進行開發；

· 作輸出時與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設置為三態高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA灌電流的能力；

· 片內集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動複位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統更加穩定可靠；

· 大部分AVR片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；

· 大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級或銷毀應用程序。

AVR單片機的應用區域

目前，AVR已被廣泛用於：

· 空調控制板

· 印表機控制板

· 智能電錶

· 智能手電筒

· LED控制屏

· 醫療設備

· GPS

從市場角度看AVR單片機

· 性價比：AVR大部分型號的性價比較高，性價比表現突出的型號有：atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P

· 供貨方面：通用型號的AVR供貨較為穩定，非常規型號的AVR樣品及供貨仍存在問題。

· 市場佔有率：目前，AVR的市場佔有率還是不如PIC與51，但，AVR的優點使得AVR的市場佔有一直在擴展，AVR的年用量也一直在上漲。